煤焦化过程中焦炭自由基浓度与碳结构演变机制研究

为解决中国优质炼焦煤资源稀缺问题，研究人员通过GC和ESR技术分析了MT与YZX煤胶质层阶段自由基浓度与气体组分变化，揭示了脂肪侧链断裂产生CH4、CO2，以及芳香簇缩聚生成H2的机制，为优化炼焦工艺提供理论依据。

　　

煤炭作为传统能源和化工原料，其高效清洁利用始终是能源领域的核心议题。中国优质炼焦煤资源匮乏，如何通过解析煤焦化过程的化学机制来提升资源利用率，成为亟待解决的科学难题。在这一背景下，辽宁科技大学化学工程学院辽宁省先进煤与焦化技术重点实验室的研究团队，聚焦煤焦化过程中自由基行为与碳结构演变的动态关联，相关成果发表于《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》。

研究采用气相色谱(GC)和电子顺磁共振(ESR)技术，结合马头(MT)与兖州西(YZX)两种炼焦煤的焦炉实验，系统分析了胶质层阶段气体释放与自由基浓度的变化规律。通过同步表征煤样的自由基参数(g值、ΔH_p-p)与碳结构特征，揭示了热解反应路径与结构演变的耦合机制。

关键发现

1. 胶质层气体释放机制：脂肪侧链和含氧官能团断裂初期生成CH₄和CO₂，后期芳香簇活性位点缩聚产生H₂，含氧杂环二次热解形成CO。
2. 自由基动态演变：胶质层阶段稳定自由基浓度显著上升，半焦阶段芳香结构缩合使稳定自由基转化为活性自由基。
3. 光谱参数关联性：ESR的g值与拉曼G峰半高宽正相关，ΔH_p-p与π→π^*跃迁含量在胶质层后期呈现强关联。

结论与意义
该研究首次建立了炼焦煤胶质层阶段自由基行为与碳结构演变的定量关系模型，阐明了CH₄/CO₂/H₂的分阶段生成机制，为定向调控焦炭质量提供了新思路。发现自由基中心原子从O向C的转变规律(g值降低)，为优化炼焦工艺参数奠定了理论基础。研究成果对拓展煤基碳材料制备、开发低阶煤高效利用技术具有重要指导价值。